U prethodnim člancima temeljito smo analizirali kinetička energija i sve u vezi s tim. U ovom slučaju nastavljamo s obukom i nastavljamo studirati mehanička energija. Ova vrsta energije je ono što nastaje radom tijela i može se prenositi između drugih tijela. Mehanička energija je zbroj kinetičke energije (gibanja) s elastičnom i/ili gravitacijskom potencijalnom energijom, koja nastaje međudjelovanjem tijela ovisno o njihovom položaju.
U ovom ćemo članku objasniti kako funkcionira mehanička energija, kako je izračunati te neke primjere i primjene. Ako želite jasno i jednostavno razumjeti ovaj koncept, nastavite čitati.
Objašnjenje mehaničke energije
Uzmimo primjer da objasnimo mehaničku energiju. Zamislimo da bacimo loptu s određene visine. Tijekom bacanja lopta ima Kinetička energija zbog svog kretanja, dok je u zraku također dobiva gravitacijska potencijalna energija zbog svog položaja u odnosu na tlo. Kako se diže, potencijalna energija raste, a kako se spušta, ta se potencijalna energija pretvara u kinetičku.
Ruka koja pokreće loptu radi na njoj, prenoseći joj kinetičku energiju. Ako zanemarimo trenje o zrak, lopta će sačuvati svoju ukupnu mehaničku energiju, koja je zbroj kinetičke i potencijalne energije. U stvari, mehanička energija sustava može ostati konstantna kada ne postoje sile otpora kao što je trenje.
Važno je zapamtiti da je gravitacija To je konstantna sila (9,8 m/s² na Zemlji) i uvijek djeluje na objekte. Dakle, izračunata mehanička energija bit će rezultat međudjelovanja brzine, mase i visine tijela. Mjerna jedinica mehaničke energije je srpanj (J), prema Međunarodnom sustavu jedinica.
Formula mehaničke energije
Mehanička energija (Em) je zbroj kinetička energija (Ec) i potencijalna energija (Ep). Matematički se to može izraziti na sljedeći način:
Em = Ec + Ep
Da bi se izračunao Kinetička energija (Ec), koristimo formulu:
- Ec = 1/2 mv²
gdje m je masa tijela i v je brzina.
Kao gravitacijska potencijalna energija (Ep), formula je:
- Ep = mgh
gdje m je masa, g je ubrzanje uzrokovano gravitacijom i h visina.
Na taj način, ako znate masu objekta, njegovu brzinu i visinu s koje je lansiran, možete izračunati njegovu mehaničku energiju.
Princip očuvanja mehaničke energije
Temeljni princip u fizici je onaj koji tvrdi da Energija se ne stvara niti uništava, već transformira. Ovo je poznato kao princip očuvanja energije. U slučaju mehaničke energije ovo načelo vrijedi ako je sustav izoliran, odnosno ako ne postoje nekonzervativne sile poput trenja.
Bacimo li loptu u zrak, u najvišoj će točki njezina kinetička energija biti jednaka nuli, ali će njezina gravitacijska potencijalna energija biti maksimalna. Dok se spušta, potencijalna energija se transformira u kinetičku energiju. Tijekom ovog procesa ukupna mehanička energija sustava ostaje konstantna.
Matematička jednadžba koja opisuje ovaj princip je sljedeća:
Em = Ec + Ep = konstanta
U stvarnim sustavima, prisutnost trenja i drugih nekonzervativnih sila mijenja ovu jednadžbu, uzrokujući da se dio energije rasprši kao toplina ili druge vrste. Unatoč tome, ovaj princip ostaje koristan za analizu brojnih fizičkih sustava.
Primjeri vježbi
Pogledajmo neke vježbe kako bismo ilustrirali kako primijeniti gore opisane koncepte:
-
- Odaberite pogrešnu opciju:
- a) Kinetička energija je energija koju tijelo ima zbog gibanja.
- b) Gravitacijska potencijalna energija je energija koju tijelo ima jer se nalazi na određenoj visini.
- c) Ukupna mehanička energija tijela ostaje konstantna čak i uz trenje.
- d) Energija svemira je stalna i samo se transformira.
- e) Kad tijelo ima kinetičku energiju, ono može izvršiti rad.
- Odaberite pogrešnu opciju:
Pogrešna opcija je (C). Mehanička energija nije sačuvana u prisutnosti trenja, budući da se dio nje rasipa kao toplina.
- Autobus s tijestom m spušta niz padinu konstantnom brzinom. Vozač drži pritisnute kočnice, ograničavajući brzinu autobusa čak i ako se spušta s visine h. Odgovorite jesu li sljedeće tvrdnje točne ili netočne:
- Promjena kinetičke energije autobusa je nula.
- Mehanička energija sustava sabirnica-zemlja je sačuvana.
- Ukupna energija sustava sabirnica-Zemlja je očuvana, iako se dio pretvara u unutarnju energiju.
U ovom slučaju točan odgovor je V, F, V. Kinetička energija se ne mijenja jer je brzina konstantna; Međutim, mehanička energija nije očuvana zbog povećanja unutarnje energije sustava uzrokovane trenjem.
Ovi primjeri ilustriraju važnost razumijevanja načina na koji sile i energija međusobno djeluju u različitim kontekstima. Mehanička energija ključna je u mnogim svakodnevnim primjenama, od pomicanja vozila do skakanja s trampolina.
Ispravno razumijevanje mehaničke energije nije korisno samo za polaganje ispita, već i za razumijevanje pojava svijeta oko nas.